【研究简介】

离子选择性膜在各种化学和生理过程中至关重要。单价离子因具有相同的化合价和相似的半径，因此分离它们仍极具挑战。在此，我们报告了一种具有超有序排列的纳米通道的二维膜，可实现超高单价离子选择性。通过对液晶(LC-MXene)施加剪切力，使得纳米片实现高度有序的堆叠，制备而得液晶MXene膜(LCMM)。LCMM可快速传输Li⁺，渗透速率约为0.35molm^-2h^-1，且Li⁺/Na⁺, Li⁺/K⁺, 和Li⁺/Rb⁺的选择性分别高达~45，~49，和~59。理论计算表明，在MXene纳米通道中，水合锂离子的直径最小，有助于实现最高的迁移率。此外，水合锂离子与MXene纳米通道的相互作用最弱，这也有助于锂离子通过有序排列的MXene通道来实现超快传输。这项工作从实验和理论的角度证明了MXene膜在单价离子分离方面的能力，也为制造高效离子分离膜提供了一种简便且通用的策略。

图1 LCMM的制备:（a）制备LCMM的示意图;（b）MXene纳米片扫描电子显微镜（SEM）图像和（c）纳米片的大小分布;（d）不同浓度的MXene浆料的偏光图，对应着各向同性到向列型液晶的转变;（e）MXene浆料的流变性质;（f）液晶LC—MXene浆料的光学照片及对应的LCMM。

图2膜表征:（a）LCMM和（b）NLCMM的3DAFM图像;（c）LCMM和（d）NLCMM的SEM图像;（e）LCMM和（f）NLCMM的横截面的SEM图像;（g）LCMM和NLCMM在干燥和湿润状态下的XRD图;（h）LCMM和（i）NLCMM的偏光显微镜图，及对应的（j）LCMM和（k）NLCMM的方位角分布图;（l）LCMM和NLCMM在（002）晶面的方位角分布图，插图为各自对应的2DWAXD图。 

图3离子分离性能:（a）离子透过LCMM的数量随渗透时间的变化；（b）LCMM和NLCMM的渗透速率比较；（c）LCMM和NLCMM对单价/单价离子分离的选择性对比；（d）LCMM的长期稳定性。（e）本工作与其他文献性能对比图。

图4理论计算:（a）Li⁺、Na⁺、K⁺和Rb⁺在6Å的MXene通道中平衡状态；（b）Li⁺、Na⁺、K⁺和Rb⁺在6Å的MXene通道中的径向分布函数（RDF）图,（c）对应的水合数（CDN）及（d）分布图;（e）水合离子自身的结合能；（f）水合离子与MXene通道的结合能；（g）水合锂离子在LCMM和NLCMM通道中的平均力势（PMF）对比

【小结】

      本文通过对液晶态的MXene施加剪切，获得了具有超有序排列通道的MXene膜，可实现单价离子的有效筛分。相关研究成果以“Shearing Liquid-Crystalline MXene into Lamellar Membranes with Super-Aligned Nanochannels for Ion Sieving”为题发表在Angewandte Chemie International Edition期刊上，入选了卷首插页,并被遴选为VIP文章（TOP5%）。此研究工作的第一作者为清华大学博士生黄灵芝和博士后武浩宇，通讯作者为王海辉教授和丁力助理研究员。此研究得到国家自然科学基金(22138005，22141001,22378226）和北京市科协青年人才托举项目资助。

文献链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202314638